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        城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿婪情_挖定向穿越施工技術(shù)

        2021-02-19 03:13:28劉宇翔
        關(guān)鍵詞:施工

        劉宇翔 楊 楠

        (四川華油集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川 成都 610000)

        0 引言

        燃?xì)夤艿朗浅擎?zhèn)建設(shè)發(fā)展中非常重要的基礎(chǔ)設(shè)施,對(duì)改善城鎮(zhèn)的大氣環(huán)境及污染問題等有著積極的影響。但是,燃?xì)夤艿缹?shí)際施工中,時(shí)常會(huì)與既有道路、既有管道或者其他既有建筑物相交,這時(shí)采取傳統(tǒng)的開挖技術(shù)進(jìn)行施工,難度很大,且會(huì)牽扯多方利益,甚至?xí)鸢踩鹿实取hb于此,非開挖定向穿越施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,并逐漸廣泛應(yīng)用于燃?xì)夤艿朗┕ぶ校瑸榱顺浞职l(fā)揮出非開挖定向穿越施工技術(shù)的優(yōu)勢(shì),有必要對(duì)其加強(qiáng)研究。

        1 非開挖定向穿越施工技術(shù)概述

        1.1 技術(shù)原理

        非開挖定向穿越施工技術(shù)顧名思義就是不用在地面進(jìn)行開挖,而是利用水平定向鉆機(jī)沿著預(yù)定的方向進(jìn)行鉆進(jìn),從而實(shí)現(xiàn)地下管道鋪設(shè)、修復(fù)及更換等施工技術(shù)。其中利用水平定向鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)鋪管是最為常用的施工方法,首先利用水平定向鉆在地面上鉆出一個(gè)導(dǎo)向孔,接著再換成擴(kuò)孔鉆頭實(shí)施反向擴(kuò)孔,再把所要鋪設(shè)的管道拉入擴(kuò)充好的鉆孔內(nèi),擴(kuò)孔次數(shù)主要根據(jù)現(xiàn)實(shí)施工的工作量及管道直徑大小來確定(具體施工示意圖見圖1)。

        圖1 非開挖水平定向穿越施工方法示意圖

        具體來說,非開挖定向穿越施工的技術(shù)原理就是通過鉆機(jī)提供鉆機(jī)動(dòng)力,再利用水平定向鉆機(jī)上的可操作、可控制鉆進(jìn)系統(tǒng),根據(jù)施工要求進(jìn)行導(dǎo)向鉆進(jìn)。導(dǎo)向鉆進(jìn)過程中可以根據(jù)鉆桿的旋轉(zhuǎn)情況及一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的楔形鉆頭實(shí)現(xiàn)三維控制。同時(shí)鉆進(jìn)過程中,若需要改變鉆進(jìn)方向,則只需停止鉆桿旋轉(zhuǎn),并根據(jù)實(shí)際需要把楔形鉆頭的楔面固定到相應(yīng)位置上,再開啟鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)便能實(shí)現(xiàn)變向。地表的電磁接收設(shè)備可以通過接收探測(cè)儀傳回的信號(hào)來確定鉆頭位置及鉆進(jìn)傾斜角度等。鉆進(jìn)結(jié)束回拉鉆桿前,應(yīng)用錐形擴(kuò)孔器把楔形鉆頭換下來,然后進(jìn)行擴(kuò)孔并回拉管道[1]。

        1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

        1.2.1 適用范圍較廣

        非開挖定向穿越施工技術(shù)在粉土、黏土、砂土等各類地質(zhì)條件下應(yīng)用都能取得不錯(cuò)的施工效果;同時(shí),也可以適用于管徑DN40~DN2000 的塑料管、鋼管及鑄鐵管等管材鋪設(shè)施工。

        1.2.2 作業(yè)操作面小

        非開挖定向穿越施工技術(shù)應(yīng)用過程中,只要挖一個(gè)適合作業(yè)的淺坑即可,且鉆孔施工只需在預(yù)先挖好的發(fā)射坑及接收坑之間進(jìn)行,整個(gè)施工過程都無須進(jìn)行過多開挖,對(duì)既有建筑物等破壞小。

        1.2.3 施工周期較短

        相對(duì)于傳統(tǒng)大開挖施工技術(shù)來說,應(yīng)用非開挖定向穿越技術(shù)通??梢栽?0d~15d 完成管道施工,而應(yīng)用傳統(tǒng)的大開挖技術(shù)則通常要耗時(shí)2~3 個(gè)月,顯然非開挖定向穿越施工的周期要短很多。

        1.2.4 無須大量施工人員,且安全性更高

        應(yīng)用非開挖定向穿越施工技術(shù)時(shí),通常需要幾名施工人員便可以完成相關(guān)工作,且施工作業(yè)基本都是使用機(jī)械鉆桿在地下工作,而施工人員只需在地面操作就可以,安全性更高。在大開挖施工中,會(huì)形成高切坡,安全系數(shù)比較低。再加上城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿朗┕さ陌踩灾苯雨P(guān)系著周圍居民生產(chǎn)生活,對(duì)安全性要求比較高,因此,城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿朗┕け仨氁蟛扇∽顬榘踩行У募夹g(shù)措施。

        1.3 施工工藝

        1.3.1 前期準(zhǔn)備

        進(jìn)行非開挖管道定向穿越施工前,要了解及調(diào)查清楚目標(biāo)施工區(qū)域的土壤類型、周邊自然環(huán)境及既有建筑物情況等,再根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙選擇合適的鉆頭及鉆進(jìn)路線,并編制現(xiàn)場(chǎng)施工方案,確定鉆機(jī)型號(hào)、鉆頭出入角度、擴(kuò)孔直接及管材型號(hào)等[2]。

        1.3.2 導(dǎo)向鉆進(jìn)

        通過鉆機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)定向鉆頭,并根據(jù)提前設(shè)定好的方向及路線旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn),直至完成鉆孔施工。在該過程中,鉆頭的信號(hào)棒會(huì)實(shí)時(shí)發(fā)出信號(hào),并被地面的信號(hào)接收設(shè)備接收到,以此來確定鉆頭的深度及角度等情況,便于施工操作人員根據(jù)實(shí)際情況來操控或調(diào)整鉆頭方向,確保導(dǎo)向鉆進(jìn)施工質(zhì)量符合設(shè)計(jì)圖紙要求。

        1.3.3 分級(jí)擴(kuò)孔

        做完導(dǎo)向孔施工之后,要及時(shí)對(duì)鉆孔進(jìn)行分級(jí)擴(kuò)孔,直到鉆孔直徑達(dá)到設(shè)計(jì)要求。然后把配置好的鉆液注入鉆孔內(nèi),避免孔洞塌方,并把石屑等清理出去,為后續(xù)管道回拉施工奠定基礎(chǔ)。

        1.3.4 回拉管道

        做完擴(kuò)孔工作后,把管道和回拉頭、錐形擴(kuò)孔器及鉆桿牢固連接到一起,再把管道拉進(jìn)孔洞中完成鋪設(shè)。

        2 實(shí)例分析

        某燃?xì)夤艿朗┕ろ?xiàng)目施工長(zhǎng)度共計(jì)約1.9km,經(jīng)勘察單位現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)后得知,擬建區(qū)域的土層屬中軟土,覆蓋層厚度大于3.0m,場(chǎng)地類別為Ⅱ類建筑場(chǎng)地,且有河流經(jīng)過,穿越斷面分布地層土石工程分級(jí)如下:人工填土(Q4ml)為Ⅱ級(jí);粉質(zhì)黏土(Q4al+pl)(可塑)為Ⅱ級(jí);卵石(Q4al+pl)(松散)為Ⅱ級(jí);泥巖(強(qiáng)風(fēng)化)為Ⅳ級(jí),為典型的卵石地質(zhì)層。同時(shí),該區(qū)域也埋有電纜管道,埋設(shè)深度變化不大,但是埋的比較淺,基本都在1m~2m,燃?xì)夤艿罃M分布于其下方,埋設(shè)深度2.5m~2.7m。另外,擬建區(qū)域交通線比較密集。為確定最終的施工方案,對(duì)開挖方式及非開挖定向穿越方式進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果見表1 和表2。綜合上述情況,且為了減少不必要的影響,最終選定非開挖定向穿越施工方式進(jìn)行施工,施工用的管材為φ160mm、壁厚15mm、PE100 級(jí)的HDPE 燃?xì)夤艿?,定向穿越每段?50mm 管道的長(zhǎng)度為200m~300m。

        表1 燃?xì)夤艿朗┕し桨笇?duì)比

        表2 施工費(fèi)用對(duì)比

        3 非開挖定向穿越施工

        3.1 施工準(zhǔn)備

        在正式非開挖定向穿越施工前,須結(jié)合燃?xì)夤懿暮椭睆降惹闆r,明確燃?xì)夤艿赖淖畲笤试S彎曲角度;再根據(jù)燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)埋深及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況,確定最優(yōu)施工路線,確保管道施工長(zhǎng)度最短;再滿足施工需要調(diào)配的各種施工機(jī)具及材料的要求。另外,在現(xiàn)場(chǎng)要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求,利用導(dǎo)向儀等測(cè)量并確定燃?xì)夤艿朗┕さ闹行木€和觀測(cè)點(diǎn)。

        3.2 操作坑開挖

        根據(jù)圖紙中設(shè)計(jì)的燃?xì)夤艿乐睆健⒙裆詈褪┕らL(zhǎng)度等相關(guān)要求,明確燃?xì)夤艿缹?shí)際鉆入點(diǎn)位置,并畫好標(biāo)識(shí)。然后設(shè)計(jì)井位并開挖入管工作井和出鉆工作井,工作井的深度以滿足燃?xì)夤艿缆裆罴肮艿朗┕闇?zhǔn)。

        3.3 鉆機(jī)就位和調(diào)試

        按照施工設(shè)計(jì)圖紙和施工規(guī)范要求,把鉆進(jìn)和配套設(shè)備安裝到制定位置上,并按管道軸線方向把鉆機(jī)方向調(diào)好,使兩者方向保持一致,左右誤差在30mm 內(nèi)。安好鉆機(jī)之后,進(jìn)行試運(yùn)行,檢測(cè)鉆機(jī)運(yùn)行狀態(tài),并根據(jù)出入土角把鉆頭調(diào)好,有問題及時(shí)處理,確保鉆機(jī)性能[3]。

        3.4 泥漿配制

        泥漿是影響非開挖定向穿越施工質(zhì)量的關(guān)鍵,因此,非開挖定向穿越施工中要合理配制泥漿,且要根據(jù)地質(zhì)土層的變化及時(shí)調(diào)整,可以適當(dāng)?shù)靥砑犹砑觿?,確保泥漿的動(dòng)、靜切力、失水和潤(rùn)滑等性能都滿足施工要求。該項(xiàng)目中泥漿基漿配比如下:5%~8%預(yù)水化膨潤(rùn)土+堿(Na2CO3)進(jìn)行攪拌后水化制成,根據(jù)水質(zhì)情況來確定實(shí)際的用堿量。

        3.5 鉆孔導(dǎo)向

        導(dǎo)向軌跡的設(shè)計(jì)如下。當(dāng)公稱直徑Dn<75mm 時(shí),鉆桿半徑R≥75m、塑料管半徑R=400D~2500D且R≥75m。因此,塑料管的入土曲率半徑的計(jì)算如下。

        R1=500D=500×0.20=100m式中:D為管道內(nèi)徑。

        出土曲率半徑的計(jì)算如下。

        R2=600D=500×0.20=120m

        經(jīng)計(jì)算,符合鉆桿曲率半徑的設(shè)計(jì)要求。

        深度為h1,長(zhǎng)度L1、L2、入土角度a1及出土角度a2計(jì)算如下。

        路面長(zhǎng)度為:L=L1+L2+L3,導(dǎo)向鉆進(jìn)施工軌跡見下圖2所示。

        圖2 導(dǎo)向鉆進(jìn)施工軌跡示意圖

        鉆頭鉆進(jìn)入土的角度是12.84°,并采用φ200 的牙輪式擴(kuò)孔器進(jìn)行導(dǎo)向孔施工(如圖3 所示)。鉆進(jìn)施工的整個(gè)過程中,要按設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度及方向,確保導(dǎo)向孔質(zhì)量。

        圖3 導(dǎo)向孔施工示意圖

        燃?xì)夤艿蓝ㄏ虼┰绞┕?duì)方向精度要求高,因此在鉆進(jìn)施工中每鉆進(jìn)1 根鉆桿便設(shè)置1 個(gè)明顯的標(biāo)記,并且對(duì)鉆桿的鉆進(jìn)方向探測(cè)最少2 次,以確保方向正確。如果鉆進(jìn)方向出現(xiàn)偏移,則須抽出1~2 根鉆桿,并調(diào)整好導(dǎo)向鉆頭方向重新進(jìn)行鉆進(jìn),鉆進(jìn)軌跡要和燃?xì)夤艿垒S線一致無偏移,避免“S”彎。同時(shí),要清楚記錄好鉆進(jìn)施工期間的扭矩、推力、泥漿流量及壓力、方向誤差等數(shù)據(jù)信息,以便控制鉆進(jìn)施工質(zhì)量[4]。做完導(dǎo)向孔施工后,根據(jù)鉆孔軌跡及記錄的數(shù)據(jù)信息判斷該導(dǎo)向孔是否合格。并嚴(yán)格控制軸線左右偏離距離<1%鉆進(jìn)長(zhǎng)度,控制深度誤差<0.5%鉆進(jìn)長(zhǎng)度,控制出土位置偏差<1m。

        3.6 分級(jí)反擴(kuò)成孔

        做完導(dǎo)向孔施工之后,應(yīng)及時(shí)將鉆頭卸下,并安上回?cái)U(kuò)器實(shí)施分級(jí)回?cái)U(kuò)施工(如圖4 所示)。該項(xiàng)目的管材為φ160mm 的HDPE 管道,采取φ300mm 的曲輪式擴(kuò)孔器按1.2~1.5 倍管道直徑進(jìn)行分級(jí)反拉旋轉(zhuǎn)擴(kuò)孔作業(yè)。擴(kuò)孔施工過程中,要結(jié)合地質(zhì)勘察報(bào)告和導(dǎo)向鉆進(jìn)的實(shí)際情況來嚴(yán)格控制地層軟硬交替位置的施工速度及泥漿壓力,且應(yīng)嚴(yán)格控制擴(kuò)孔質(zhì)量,防止因擴(kuò)孔而引起路面隆起或下沉等問題[5]。

        圖4 分機(jī)反擴(kuò)成孔示意圖

        3.7 管道回拖

        用φ300mm 的曲輪式擴(kuò)孔器做完擴(kuò)孔工作后,送泥漿沖洗,且檢查泥漿噴嘴正常之后,便開始管道回拖施工。首先,通過燃?xì)夤艿蓝祟^提前焊設(shè)的拖管頭把擴(kuò)孔鉆頭和萬向節(jié)牢固連到一起。然后,啟動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行管道回拖施工。回拖過程中要把燃?xì)夤艿婪诺捷喬ド?,并往輪胎上涂一層黃油,每隔12m 便設(shè)置一個(gè)輪胎,這樣既能減小回拖施工的阻力,又能有效保護(hù)燃?xì)夤艿婪栏瘜硬槐黄茐模ü艿阑赝先鐖D5 所示)。實(shí)時(shí)記錄好管道回拖的各項(xiàng)數(shù)據(jù),并在管道回拖完成之后,及時(shí)用挖掘機(jī)把管道的前端和擴(kuò)孔器等設(shè)備挖出來,然后把擴(kuò)孔器拆掉。

        圖5 管道回拖示意圖

        3.8 管道連接

        做完管道回拖施工后,及時(shí)開展試壓工作,檢查管道有無泄漏等不合格情況。待合格后再跟相鄰管道進(jìn)行連接施工,連接施工要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及規(guī)范要求,安排專業(yè)的技術(shù)人員按照“布管→組對(duì)→實(shí)施焊接”的流程進(jìn)行熱熔對(duì)接焊接,以確保質(zhì)量。

        3.9 工程事故及應(yīng)急措施

        非開挖定向鉆機(jī)施工基本都是地下機(jī)械施工,雖然施工效率高、操作簡(jiǎn)便,但是地下環(huán)境復(fù)雜,不可預(yù)見因素較多,所以也可能出現(xiàn)一些問題或事故。鑒于此,項(xiàng)目部應(yīng)提前制定應(yīng)急方案,以便發(fā)生事故后可以及時(shí)處理,且必要的情況下,也應(yīng)上報(bào)建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位及監(jiān)理單位等,召開轉(zhuǎn)角討論會(huì),及時(shí)制定針對(duì)性補(bǔ)救方案[6]。

        4 結(jié)語

        綜上所述,非開挖定向穿越施工技術(shù)在城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿拦こ讨袘?yīng)用較廣,尤其是在交通繁忙、人流量較大的施工環(huán)境中有著明顯的優(yōu)勢(shì)。但是該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也存在一定的風(fēng)險(xiǎn),因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí),要充分調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境及地質(zhì)條件等情況,并編制合適的非開挖定向穿越施工方案,嚴(yán)格落實(shí)每項(xiàng)施工,保證燃?xì)夤艿朗┕ぐ踩?、穩(wěn)定、高效完工,為城鎮(zhèn)社會(huì)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供保障。

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